1、1 嘉应学院 2015 届 电子信息工程 学院本科毕业论文(设计)开题报告表课题名称 基于单片机的脉搏仪设计课题类型 工程设计 指导教师 学生姓名 * 学 号 111100057 专 业 电子信息工程本课题研究的现状脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面:(1）脉搏信号检测与提取用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860 年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括
2、脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从 50 年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种。(2）脉搏信号处理与特征提取目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法、直观形态法。2 学术价值和现实意义传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量
3、在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。 生物医学传感器获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。课题类型指：理论研究、实验研究、计算机软件设计、工程设计（实践）等。论文提纲或设计思路论文提纲：1、确定硬件系统的设计方案：（1）、根据系统的功能要求确定选用的元器件；（2）、分配单片机各个 IO 口地址，以连接对应的元器件，方便控制；（3）、利用 Alti
4、um designer 软件构建系统的硬件图；2、确定软件部分的设计方案:（1）、确定各部分模块对应要实现的功能，并根据连接图写出对应程序中对应的控制信息，便于软件编写；（2）、用 keil 软件编写程序，对应各模块功能模块化编写，便于程序的检查和调试；3、利用 keil 软件生成 hex 文件，用 Altium designer 软件绘制电路图4、依照电路图，在电路板上焊接各元件，完成系统实物设计；5、将焊好的电路板反复进行硬件调试和系统整体调试，直到实现系统要求的预定功能。3 主要参考文献1华玉明.51 单片机语言模块化多文件编程方法探讨J.吉林广播电视大学学报,2014(10):59-6
5、22赵丽华,张文兰,张永寿.基于单片机的脉搏信号采集电路设计J.中国医学装备,2014,11(4):35-383张心歌.基于单片机的脉搏波采集系统的设计J.硅谷,2014(5):31-324颜晓河,董玲娇,苏绍兴.光电传感器的发展及其应用J.电子工业专用设备，2006(1):59-625施勇.光电传感器原理浅析J.科技创业家,2013(9):5-66程咏梅,夏雅琴.人体脉搏信号检测系统J.北京生物医学工程.2007,25(5):1-37刘树种,孙书鹰,王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现J.微计算机信息,2007(2):137-1398陈旦花.单片机最小系统的设计与运用J.无线互联科技
6、.2013(10):103-1049于志赣,刘国平,张旭斌.液显 LCD1602 模块的应用J.机电技术.2009（3):21-2310韩彩霞.单片机 C 语言的编程探析J.硅谷.2013(22),1-411 李海滨.单片机课程技术设计与项目实例M.北京:第 1 版.中国电力出版社，2009:11-20指导教师意见指导教师（签名） 教研室主任（签名） 院长（签名） 年 月 日4 目 录1 引言 .21.1 目的和意义 .21.2 研究概况及发展趋势综述 .31.3 本系统主要研究内容 .42. 总体方案论证与设计 .52.1 主控模块的选型和论证 .52.2 显示模块的选型和论证 .52.3
7、传感器的选型和论证 .52.4 时钟芯片的选型和论证 .62.5 系统整体设计概述 .63.系统硬件电路设计 .73.1 主控模块 .73.1.1 STC89C52 单片机主要特性 .73.1.2 STC89C52 单片机的中断系统 .103.1.3 单片机最小系统设计 .103.2 LCD 液晶显示器简介 .103.2.1 液晶原理介绍 .103.2.2 液晶模块简介 .113.2.3 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 .123.3 键盘模块设计 .123.4 蜂鸣器模块设计 .133.5 信号采集电路设计 .133.5.1 传感器简介 .133.5.2 放大电路 .143.5.3
8、整形电路 .143.5 时钟模块的设计 .143.5.1 DS1302 概述 .153.5.2 DS1302 内部 RTC 和 RAM 地址分配 .173.5.3 DS1302 时钟电路设计 .194.系统软件设计 .214.1 系统软件总体设计 .214.2 程序设计原理 .225.系统调试 .235.1 硬件调试 .235.2 软件调试 .235.3 调试结果 .236.结论 .24附录 .26系统整体原理图 .26元件清单 .26系统源程序 .285 基于单片机的脉搏计摘要：人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的
9、改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。本文主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法，利用红外传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查， 通常被用于保健中心和医院。系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量，时间可以自行设定.系统主控芯片采用 STC
10、89C52,可以把采集到的脉搏信号显示在 LCD1602 上。关键词：STC89C52，独立键盘，LCD 显示管，红外传感器。1 引言1.1 目的和意义脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前 7 世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更
11、客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的， ，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。心率(Heart Rate)：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。在正常情况下，脉率和心率是一致的。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在 75 次/分左右
12、(60100 次/分之间)。初生儿的心率很快，可达 130 次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。健康成人的心率为 60100 次/分，大多数为 6080 次/分，女性稍快；3 岁以下的小儿常在 100 次/分以上；老年人偏慢。成人每分钟心率超过 100 次（一般不超过 160 次/分）或婴幼儿超过 150 次/分者，称为窦性心动过速。如果心率在 160220 次/分，常称为阵发性心动过速。心率低于 60 次/分者（一般在 40次/分以上） ，称为窦性心动过缓。如心率低于 40 次/分，应考虑有房室传导阻滞。6 心率过快超过 160 次/分，或低于 40 次/分，大多见于心脏病病人
13、，病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。对某些阵发性心率过速或过缓，往往在就医时测试出心率正常，以至使医生无法确诊，所以我们设计出这种可以随时进行心率测量的心率计，不仅可以随时地监测一个人的健康状况，而且为医生对这种病症的确诊提供证据。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人
14、为的影响因素较大,测量精度不高。无创测量（NoninvasiveMeas2urements）又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征是测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外,尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。 生物医学传感器获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。1.2 研究概况及发展趋势综述脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建
15、模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面:（1）脉搏信号检测与提取用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860 年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从 50 年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式
16、等多种。（2）脉搏信号处理与特征提取 目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。频域分析法：频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过
17、频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨性好, 因此 80 年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析, 7 初步取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异, 利用频域分析的延伸技术倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数, 分析了脉搏系统的频率特性。时频联合分析法：是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换(WT) 。短时傅立
18、叶变换(STFT)方法：是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。小波变换(WT)：是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把 FT 中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信
19、号的有力工具。在目前已知的小波函数中,复值调制的 Gaussian 函数是使用最高的小波之一。1.3 本系统主要研究内容本系统设计制作一个基于单片机的脉搏计。能实现以下几种功能：（1）键盘扫描，通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能。（2）通过红外传感器把信号提取并通过滤波放大把信号整形成方波给单片机计算一分钟内的脉搏次数。（3）用户可以设置脉搏次数的上限和下限，超过上限或上限单片机会驱动蜂鸣器发响。（4）用户可以设置闹钟时间用来提醒用户定时测量脉搏次数。8 2. 总体方案论证与设计根据所要实现的功能划分，系统一共需要以下几个模块：主控模块、显示模块、信号采集电路，以下就针对这几个
20、模块的选型和论证进行讨论。2.1 主控模块的选型和论证方案一：采用 MSP430 系列单片机，该单片机是 TI 公司 1996 年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。方案二采用 51 系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的 8 位单片机，32 个 IO 口，且 STC 系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。因此选用方案二中的 51 系列单片机作为主控芯片。2.2 显示模块的选型和论证方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由
21、八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示。方案二：采用 LED 数码管动态扫描， LED 数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用 LED 数码管作为显示。方案三：采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方
22、便。所以本设计中方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。2.3 传感器的选型和论证方案一：采用压电传感器用来提取人的脉搏信号，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。通过此现象可以提取出人的脉搏信号。方案二：采用光电传感器提取人体脉搏信号，授予手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的
23、充盈而引起，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。9 由于光电传感器较压电传感器容易在一般的地方可以买得到，因此这里选用光电传感器来提取人体脉搏信号。2.4 时钟芯片的选型和论证方案一：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现时间计数。采用此种方案虽然可以减少时钟芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。方案二：采用 DS1302 时钟芯片实现时钟，DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三
24、线接口与单片机进行通信，并可采用突发一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 31*8 的用于临时存放数据的 RAM 存储器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓流充电的能力。主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通 32.768KHZ 晶振作为标准时钟。因此本设计中采用方案二中的 DS1302 作为时钟模块。2.5 系统整体设计概述主控模块单片机蜂鸣器模块液晶显示模块L C D 1 6 0 2时钟模块D S 1 3
25、0 2光电传感器 放大整形滤波电路 按键模块图 1 系统结构框图STC89C52、按键、LCD1602、光电传感器、时钟模块、运放等构成，系统设有四个按键，可以设置上下限脉搏数，当超过范围的时候单片机会驱动蜂鸣器发响，脉搏测量的时候需要人把手轻轻的按在光电传感器上面，由于人脉搏跳动的时候，血液的透光性不一样会导致接收器那边接收的信号强弱不一样，间接的把人脉搏信号传回，通过运放对其进行放大、整形后连接到单片机的 IO 口，单片机利用外部中断对其进行计数，最终换算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在液晶屏上。除此之外系统还带一个定时提醒测量的时钟功能，用户可以设定闹钟时间。10 3.系统硬件电路设
26、计3.1 主控模块主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了 51 系列单片机中的 STC89C52 单片机作为系统的主控芯片。51 系列单片机最初是由 Intel 公司开发设计的，但后来 Intel 公司把 51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以 51 为内核的单片机。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容 51 指令、并在 51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与 51一致的。STC89C52 有 40 个引脚，4 个 8 位并行 I/O
27、口，1 个全双工异步串行口，同时内含 5 个中断源，2 个优先级，2 个 16 位定时/计数器。 STC89C52 的存储器系统由 4K 的程序存储器(掩膜 ROM)，和 128B 的数据存储器(RAM)组成。STC89C52 单片机的基本组成框图见图 3-1。时钟电路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 个定时个 / 计数器 2C P U总线控制中断系统5 个中断源2 个优先级串行口全双工 1 个4 个并行口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0 P 1 P 2P 3V
28、 s sV c c图 3-1 STC89C52 单片机结构图 3.1.1 STC89C52 单片机主要特性1. 一个 8 位的微处理器(CPU)。2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供 1K 的RAM。3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将 RAM 和 ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的 89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。4. 四个 8 位并行 IO 接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。5. 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果
